압력 평형 기작을 이용한 초소형 유체 압력 조절기 - 임석희 (The Graduate School, Ajou University, 2006)
최근 MEMS (Micro ElectroMechanical Systems) 기술을 적용한 초소형 유량 제어 소자에 관한 연구가 진행되고 있다. 본 논문에서는 출력단의 압력을 일정하게 유지시키기 위해 압력 조절기의 구동 원리를 응용한 소자를 설계하고 구동 특성을 시뮬레이션하였다. 압력 조절은 출력 압력의 일부를 피드백하여 입력 밸브의 열림량을 제어함으로써 이루어진다. 또한 공기 챔버 구조를 두어 출력 압력을 미리 설정할 수 있도록 하였다. 이러한 압력 조절기는 박막에 작용하는 입력단의 압력, 출력단의 압력, 공기 챔버의 압력 사이의 압력 평형 기작에 의해 구동이 되므로 외부 전원 없이 동작이 가능하다. 소자의 효율적인 구동을 위해 박막의 크기 및 두께, 입력단의 압력, 공기 챔버의 압력 범위를 시뮬레이션을 통해 최적화함으로써 출력단의 압력 변화율이 최소가 되도록 설계하였다. 시뮬레이션은 COMSOL Multiphysics를 사용하였다. 소자에 대한 시뮬레이션을 하기 전에 압력에 따른 실리콘 박막의 변위를 박막 이론에 근거하여 계산한 이론값과 시뮬레이션 결과를 비교하여 시뮬레이션의 타당성을 검증하였다. 시뮬레이션은 박막, 피스톤, 스토퍼만으로 소자 전체 구조를 단순화하고, 소자에 인가되는 압력은 공압으로 가정하였다. 박막의 크기는 8 mm × 8 mm, 6 mm × 6 mm, 4 mm × 4 mm, 두께는 50 μm로 가정하였다. 시뮬레이션 결과 박막의 크기가 8 mm × 8 mm일 경우에 박막의 변위량이 최대 50 μm이고 normally-closed 상태를 유지하며 동작을 하고, 이때 공기 챔버의 설정압력은 20 kPa에서 40 kPa까지 설정 가능하고, 입력단의 압력은 40 kPa이상이 되어야 한다는 것을 확인하였다. 또한 공기 챔버의 압력으로 출력단의 압력을 설정할 수 있다는 것을 확인하였다.
학위논문(석사)--아주대학교 일반대학원 :전자공학과,2006. 8
Keywords: regulator